KR20150122319A - 전기변색 소자의 제조방법 - Google Patents

전기변색 소자의 제조방법 Download PDF

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조성목
김태엽
송주희
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류호준
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 전기변색 소자의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 서로 대향되도록 하부 기판 및 상부 기판을 제공하고, 상기 하부 기판의 상면 상에 하부 전극을 형성하고, 상기 상부 기판의 하면 상에 상부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 전해질층 형성하고, 상기 상부 전극과 상기 전해질층 사이에 전기변색층 형성하고, 그리고 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나 이상을 사전에 환원처리하는 것을 포함한다.

Description

전기변색 소자의 제조방법 { method for manufacturing electrochromic device }
본 발명은 전기변색 소자에 관한 것으로, 구체적으로 산화환원반응을 이용한 전기변색 소자의 제조방법에 관한 것이다.
전기변색 소자(electrochromic device)는 전기화학반응에 의하여 색상과 투과율이 변화하는 특성을 가지는 소자이다. 전기변색 소자에서 외부의 전기 자극에 의해 전위차가 발생하면, 전해질층에 포함되어 있는 이온이나 전자가 전기변색층 내부로 이동하여 산화환원 반응이 일어난다. 전기변색층의 산화환원 반응에 의해, 전기변색 소자의 색깔이 변하게 된다. 전기변색층의 전기변색 물질은 viologen, WO3, TiO2, Nb2O5, V2O5, Ni(OH)2 또는 Ir(OH)x 을 포함할 수 있다. 환원에 의해 색상이 발현되는 물질을 환원형(cathodic) 전기변색 물질이라 한다. 환원형 전기변색 물질은 예를 들어, Viologen, WO3, TiO2, Nb2O5 및 V2O5 등 일 수 있다. 산화에 의해 색상이 발현되는 물질을 산화형(andic) 전기변색 물질이라고 한다. 산화형 전기변색 물질은 예를 들어, Ni(OH)2 또는 Ir(OH)x 일 수 있다. 전기변색 물질의 변색에 의해 가시광을 투과할 수 있는 정도가 변화한다. 따라서, 전기변색 소자는 광 셔터, 반사형 디스플레이, 자동차용 변색 거울 및 스마트 윈도우 등으로 응용된다. 전기변색 소자는 외부의 전압에 의한 전력공급이 필수적이다.
본 발명의 기술적 과제는 전기변색 소자의 구동전압을 낮출 수 있는 전기변색 소자 제조방법을 제시하고자 한다.
본 발명은 전기변색 소자의 제조방법에 관한 것이다. 상기 제조방법은 서로 대향되도록 하부 기판 및 상부 기판을 제공하고, 상기 하부 기판의 상면 상에 하부 전극을 형성하고, 상기 상부 기판의 하면 상에 상부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 전해질층 형성하고, 상기 상부 전극과 상기 전해질층 사이에 전기변색층 형성하고, 그리고 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나 이상을 사전에 환원처리하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전기변색 소자의 구동전압을 낮추고 안정적으로 소자를 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색 소자의 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 전기변색 소자의 구동 예를 보여주는 단면도들이다.
도 7은 전기변색 전극의 사전 환원 처리를 위한 전극 배치도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 나타낸다.
도 9은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 나타낸다.
도 11은 전기변색 전극의 사전 환원 처리시 시간에 따른 환원 전류값을 나타낸다.
도 12와 도 13은 기존의 발명과 본 발명의 전기변색 소자의 변색 특성을 각각 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기변색 소자(100)는 하부 기판(10), 하부 전극(12), 제 1 전기변색층(30), 전해질층(34), 제 2 전기변색층(36), 상부 전극(22), 및 상부 기판(20)을 포함할 수 있다.
하부 기판(10)과 상부 기판(20)은 서로 대향되게 배치된다. 하부 기판(10) 및 상부 기판(20)은 유리 기판을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 전극(12)은 하부 기판(10)의 상면 상에 배치될 수 있다. 상부 전극(22)은 상부 기판(20)의 하면 상에 배치될 수 있다. 하부 전극(12) 및 상부 전극(22)은 투명한 도전성 물질을 포함할 수 있다.
제 1 전기변색층(30)은 상부 전극(22)의 하면 상에 배치될 수 있다. 제 1 전기변색층(30)은 전도성 입자들(31)과 전도성 입자들(31)의 표면에 고정화된 전기변색 물질(32)을 포함할 수 있다. 전도성 입자들(31)은 나노구조체, 예를 들면, TiO2 일 수 있다. 전기변색 물질(32)은 전자 또는 정공을 공급받으면 전기변색을 일으키는 물질이다. 환원에 의해 색상이 발현되는 물질을 환원형(cathodic) 전기변색 물질이라 한다. 예를 들어, 환원형 전기변색 물질은 비올로젠(Viologen), WO3, TiO2, Nb2O5 또는 V2O5 을 포함할 수 있다. 전기변색 물질(32)이 전자를 공급받아 전기변색을 일으키는 물질인 경우, 전기변색 물질(32)이 전자를 받으면 전기변색을 일으켜 전기변색 소자(100)가 변색하게 된다. 이와 달리, 전기변색 물질(32)이 정공을 공급받으면 전기변색소자(100)는 변색하지 않게 된다. 제 1 전기변색층(30)이 전도성 입자들(31)과 전도성 입자들(31)의 표면에 고정화된 전기변색 물질(32)을 포함하면, 전기변색 물질(32)의 농도가 증가될 수 있으며 응답속도가 향상될 수 있다. 도면에 도시된 바와 달리 제 1 전기변색층(30)은 상부 전극(22)의 하면 상에 형성될 수 있다. 이와 달리, 후술하는 전해질층(34) 내부에 전기변색 물질(32)이 용해됨으로써 형성될 수도 있다.
전해질층(34)은 상부 전극(22)과 하부 전극(12) 사이에는 배치될 수 있다. 전해질층(34)은 전기변색이 일어날 때 이온이 이동할 수 있도록 한다. 전해질층(34)은 용매와 용매 내에 녹아 있는 이온화 물질을 포함할 수 있다.
제 2 전기변색층(36)은 하부 전극(12)의 상면 상에 배치될 수 있다. 제 2 전기변색층(36)은 산화 변색 전극층 또는 이온 저장층일 수 있다. 제 2 전기변색층 (36)은 전기변색 소자(100) 내의 전하 안정성(charge stability)을 향상시키기 위한 것으로, 전기변색 물질(32)에 대응되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전기변색 물질(32)이 전자를 공급받아 전기변색을 일으키는 물질인 경우에 제 2 전기변색층(36)은 전기 변색시 정공을 공급받는 물질을 포함할 수 있다. 제 2 전기변색층(36)은 예를 들어 SnO2 일 수 있다. SnO2 에는 5%의 Sb가 첨가될 수 있다. 예를들어, Sb가 첨가된 SnO2 입자들을 형성한다. 입자들에 고분자들을 혼합하여 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 스크린 프린팅 공정을 통해 박막을 만든 후 산화분위기에서 열처리하고, 고분자를 연소 제거하여 제 2 전기변색층 (36)을 제조한다. Sb가 3%~5% 첨가되는 경우 기존의 발명보다 빨리 변색 된다. 한편, 제 2 전기변색층(36)은 상부 전극(22)의 하면 상에 추가적으로 배치될 수 있다. 또한 제 2 전기변색층(36)은 대응물질이 전해질층(34) 내부에 용해됨으로써 형성될 수도 있다.
격벽(38)이 전해질층(34)의 양쪽 끝에 배치되어 전해질층(34)을 밀봉할 수 있다.
도 2 내지 도 6은 전기변색 소자의 구동 예를 보여주는 단면도이다.
도 2을 참조하면, 상부전극(22)에 마이너스 전압(-V1)을 인가하고 하부 전극(12)에 0V을 인가한다. 전해질층(34) 내의 전자들이 이동하여 전기변색 물질(32)에 공급되고, 전기변색이 일어난다. 이에 따라, 전기변색 소자(100)는 소정의 색상으로 변색된다.
도 3를 참조하면, 상부 전극(22)과 하부 전극(12)에 공급되는 전원을 끊어 상부 전극(22)과 하부 전극(12)을 플로팅(floating) 상태로 만든다. 플로팅 상태에서, 상부 전극(22)은 마이너스 전압(-V1)을 유지하고 하부전극(12)은 0V를 유지하며, 전기변색 소자(100)는 도 3의 변색상태를 유지한다.
도 4를 참조하면, 전원을 통하여 상부 전극(22)에 플러스 전압(+V1)을 인가하고 하부전극(12)에 0V를 인가한다. 전해질층(34) 내의 정공들이 이동하여 전기변색 물질(32)에 공급되고, 전기변색은 일어나지 않게 된다. 전기변색 소자(100)는 변색되지 않는다.
도 5을 참조하면, 상부 전극(22)과 하부 전극(12)에 공급되는 전원을 끊음으로써 상부 전극(22)과 하부 전극(12)을 플로팅(floating) 상태로 만든다. 플로팅 상태에서, 상부 전극(22)은 플러스 전압(+V1)을 유지하고 하부 전극(12)은 0V를 유지하며, 전기변색 소자(100)는 도 5에 도시된 변색하지 않는 상태를 유지한다.
도 6을 참조하면, 상부 전극(22)과 하부 전극(12)이 플로팅된 상태에서, 상부 전극(22)과 하부 전극(12)을 단락(short)시키면, 하부 전극(12)에 축적된 전자들이 이동하여 전기변색 물질(100)에 공급되고 전기변색이 일어나게 된다. 전기변색 소자(100)는 변색된다.
도 7는 전기변색 전극의 사전 환원 처리를 위한 전극 배치도이다.
도 7를 참조하면, 전기변색 전극에 대해 사전 환원처리가 수행될 수 있다. Li+ ion을 포함한 전해질에서 퍼텐쇼스탯(potentiostat) 장치를 이용하여 전기변색 전극을 사전 환원처리 한다. 퍼텐쇼스탯 장치는 정전위장치이다. 퍼텐쇼스탯 장치는 동작전극(working electrode), 기준전극 및 대향전극을 가진다. 퍼텐쇼스탯 장치를 본 실시 예의 사전 환원처리에 사용하는 경우, 각 전극간의 간섭을 막고, 동작전극과 기준전극 사이의 전압을 일정하게 유지한다. 퍼텐쇼스탯 장치가 일정하게 전압을 걸어주어, 전기변색 전극에 이온을 고정시켜 환원시킬 수 있다.
실시 예에서는 기준 전극으로 Ag 또는 AgCl이 사용되고, 0.5M LiClO4가 용해된 propylene carbonate 전해질이 이용되었다. 대향 전극은 Li 호일 등을 포함할 수 있다. 대향전극은 전류를 공급하는 역할만 하므로 다양한 전도성 물질이 사용된다. 전기변색 전극과 기준 전극의 전압차이를 나타내는 대비전압(V)는 0 ~ -2.0V이다. 전기변색 전극은 퍼텐쇼스탯의 동작전극에 연결하고, 기준 전극은 퍼텐쇼스탯의 기준전극에 연결하고, 대향 전극은 퍼텐쇼스탯의 대향 전극에 연결한다. 사전 환원처리시, 전압은 전기변색 전극, 기준 전극의 종류 및 전해질에 따라 달라질 수 있다.
실시 예에 따라 사전 환원처리된 전기변색 전극은 도 1 내지 도 6의 전기변색 소자(100)에 사용된다. 전기변색 전극이 도 1 내지 도 6의 전기변색 소자(100)에 사용되는 경우 제 1 전기변색층(30), 제 2 전기변색층(36)이라 정의한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 제 1 전기변색 전극과 제 2 전기변색 전극은 개별적으로 공정되어 제조된다. 제 1 전기변색 전극은 제 1 전기변색층(30)이 되고, 제 2 전기변색 전극은 제 2 전기변색층(36)이 된다. 도 8은 제 1 전기변색 전극을 사전 환원처리 한다. 제 1 전기변색 전극은 스퍼터링 등의 진공 박막증착 공정, 스크린 프린팅 및 닥터블레이드 등의 공정으로 제조될 수 있다. 도 7과 같이 사전 환원처리 된 제 1 전기변색 전극은 제 2 전기변색 전극과 접합되어 전기변색 소자(100)가 제조된다. 액상전해질이 전해질로 이용되는 경우, 접합 필름을 이용하여 두 전극 사이에 공간을 가지도록 접합하고, 이 공간에 전해질을 주입하여 채워넣는 공정으로 소자를 제조할 수 있다. 젤 형태의 전해질이 이용되는 경우, 젤 형태의 전해질을 제 1 전기변색 전극과 제 2 전기변색 전극 사이에 두고 라미네이팅의 방법으로 접합하여 전기변색 소자(100)를 제조할 수 있다.
사전 환원처리를 거칠 경우, 전기변색 소자(100)의 한쪽 전극은 산화상태로 사전 환원처리 된 반대쪽 전극은 환원 상태로 접합된다. 전기변색 소자(100)의 동작시에 산화상태의 전극이 환원상태로 전이하고, 환원처리된 반대쪽 전극은 산화 상태로 전이하여 소자의 동작이 용이하게 이루어진다. 결과적으로 소자의 동작이 보다 낮은 전압에서 가능하며, 구동 특성이 사전 구동 이력에 의한 의존성을 적게 가진다.
도 9은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제 1 전기변색 전극과 제 2 전기변색 전극을 개별 공정으로 제조한 후에 제 2 전기변색 전극에 대해 사전 환원처리 한다. 도 2와 같이 사전 환원처리된 제 2 전기변색 전극은 제 1 전기변색 전극과 접합되어 전기변색 소자(100)를 제조한다. 사전 환원처리 방법과 그 이후의 접합 공정 등은 도 7 및 도 8의 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기변색 소자의 제조 공정을 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제 1 전기변색 전극과 제 2 전기변색 전극 양쪽을 모두 사전 환원처리한다. 양쪽 층의 사전 환원처리는 사전 환원처리 후 세척, 접합 및 전해질 주입 등의 공정을 거치는 동안에 전극의 부분적인 재산화가 일어날 경우 적용함이 바람직하다. 사전 환원처리 방법과 그 이후의 접합 공정 등은 도 7 및 도8의 경우와 동일하여 설명을 생략한다.
도 11은 전기변색 전극의 사전 환원 처리시 시간에 따른 환원 전류값을 나타낸다.
도 11은 포텐쇼스탯을 이용하여 전기변색 전극에 기준전극 대비 -0.5V의 전압을 인가하였을 경우 시간에 따른 전류의 변화를 보여준다. 기준전극으로 Ag 또는 AgCl이 사용되고, 전기변색 전극으로 5%의 Sb가 첨가된 SnO2이 사용되었다. 환원 전류는 시간에 따라 감소하는 특징이 있다. 사전 환원처리시 인가하는 전압의 절대값이 클수록 더 많은 환원 전류가 흐르게 되는데, 지나치게 큰 환원 전압 인가는 전극의 열화를 가져올 수 있다.
도 12와 도 13은 기존의 발명과 본 발명의 전기변색 소자의 변색 특성을 각각 보여준다.
도 12를 참조하면, 도 1의 전기변색 소자(100)와 통상적인 공정을 통해 제조된 전기변색 소자의 투과도 변화를 보여준다. a는 본 발명의 기술로 제작된 전기변색 소자(100)의 탈색상태이고, b는 본 발명의 기술로 제작된 전기변색 소자(100)의 착색상태이다. c는 기존의 기술로 제작된 전기변색 소자(100)의 탈색상태이고, d는 기존의 기술로 제작된 전기변색 소자(100)의 착색상태이다. 사전 구동 이력이 없는 신규 제작 소자를 이용하여 측정하였으며 착색 전압은 -2.5V, 탈색 전압은 +0.5V 이다. 사전환원처리 공정을 이용할 경우 동일한 착색 전압에서 훨씬 진하게 착색이 됨을 볼 수 있다. 본 발명에서 제안된 사전 환원처리 공정에 의해 전기변색 소자의 구동 전압이 낮아질 수 있음을 보여준다.
도 13을 참조하면, 550nm 파장에서 착색상태의 전기변색 소자의 투과도를 보여준다. 착색 전압의 크기를 증가시킨 후 다시 착색 전압의 크기를 감소시키면서 투과도를 측정한다. 탈색전압은 +0.5V 이고, 구동 주파수는 0.2Hz 이였다. 본 발명의 기술과 기존의 기술 각각의 착색 전압 조건에서 3분간 안정화시킨 후 측정하였다. 본 발명에서 제안된 기술에 따라 제조한 전기변색 소자의 경우, 기존 기술에 의해 제조된 전기변색 소자보다 낮은 전압에서 진하게 착색됨을 볼 수 있다. 기존 기술에 의해 제조된 소자의 경우, 최초 측정에서는 -3.0V까지 전압을 증가시켜야 진하게 착색되는 특징을 보인다. 기존의 전기변색 소자는 -3.0V에서 구동 후 다시 전압을 내리면서 측정할 경우, 초기와는 다르게 낮은 전압에서도 진하게 착색되는 특징을 보인다. 그러나, 기존 기술에 의해 제조된 전기변색 소자를 방치하여 시간이 경과되면 점차적으로 신규 제조 소자의 특성을 회복하는 방향으로 움직이게 된다(구동 전압의 재 상승). 즉, 소자의 구동 특성이 구동 이력에 따라 매우 크게 변화하는 특성을 보인다. 본 발명에 따라 제조된 소자의 경우에는 이러한 구동 이력에 따라 변화하는 특성이 크게 줄어든다. 본 발명에 의해 제안된 기술에 따라 제조된 소자는 측정 후 시간이 경과하여도 구동 전압에 따른 착색 특성이 크게 변화하지 않는다. 이러한 특징은 소자가 안정적인 낮은 구동전압을 가진다는 것을 의미하며, 소자의 제어가 용이해진다는 것을 의미한다.

Claims (1)

  1. 서로 대향되도록 하부 기판 및 상부 기판을 제공하고;
    상기 하부 기판의 상면 상에 하부 전극을 형성하고;
    상기 상부 기판의 하면 상에 상부 전극을 형성하고;
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 전해질층을 형성하고;
    상기 상부 전극과 상기 전해질층 사이에 전기변색층을 형성하고 ; 그리고
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 중 적어도 하나 이상을 사전에 환원처리하는 것을 포함하는 전기변색 소자의 제조방법.
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